PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator Dan Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008
APLIKASI DAN UJI FUNGSI SENSOR SUHU TERMOKOPEL TIPE K3 PADA UNIT REDUKSI Triyono PTAPB-BATAN
Yogyakarta
ABSTRAK APLIKASI DAN UJI FUNGSI SENSOR SUHU TERMOKOPEL TIPE K3 PADA UNIT REDUKSI. Telah dilakukan aplikasi dan uji fungsi sensor suhu termokopel tipe K3 pada unit reduksi. Tujuan aplikasi sensor suhu termokopel tipe K3 untuk mengganti sensor suhu yang rusak dan tidak dapat memberikan tegangan input ke kontrol suhu. Tipe sensor suhu yang diaplikasikan dari tipe termokopel K3 dengan bahan NiCr-Ni dan panjang 250 cm diameter sensor 0,3 cm. Sensor suhu K3 diinstal dalam tabung reduktor dan dilindungi menggunakan pipa baja tahan karat yang tahan terhadap suhu 0-1000 •C. Uji fungsi sensor suhu menggunakan perlakuan pemanasan secara bertahap, agar sensor suhu tidak mengalami kerusakan fisik dan akan memberikan tegangan sensor pada junctionnya. Hasil aplikasi dan uji fungsi sensor suhu termokopel K3 pada unit reduksi menunjukkan bahwa sensor suhu termokopel K3 dapat digunakan sebagai input kontrol suhu 0-850 •C dengan tegangan sensor an tara 0-33,9 mVolt dengan waktu uji 0-205 menit diperoleh laju panas rerata 1,9'1-5,71 •C/menit.
ABSTRACT THE
APLICA TION
AND
CHARACTERIZA
TION
TEMPERA TURE
SENSOR
THERMOCOUPLE TYPE K3 OF REDUCTION UNIT. The application and characterization temperature sensor thermocouple type K3 of reduction unit has been done. The purpose of application temperature sensor thermocouple type K3 for replacement of damage temperature sensor and cannot give voltage input to temperature controller. The type temperature sensor to application from type thermocouple K3 with material NiCr-Ni and sensor length 250 cm diameter sensor 0.3 cm. The sensor K3 installed in the reductor tube and protectioned use stainless steel resistance to temperature 0-1000 •C. The characterization of temperature sensor use heating level treatment, in order that temperature sensor not damage fisical and will give sensor voltage of it junction. The result of application and characterization temperature sensor thermocouple K3 of reduction unit showed that temperature sensor thermocouple K3 can use to input temperature control 0-850 •C with sensor voltage between 0-33.9 mVolt with time characterization 0-205 minute and to recible heating velocity rate 1.91-5.71 ·C/menit.
PENDAHULUAN
Unit
reduksi merupakan alat dimana pemanaseuplikan untuk proses reduksi tipe batch, yang direduksi (U30g) ditempatkan dalam baki stainless steel dan dimasukkan dalam tabung reduktor. Unit reduksi terdiri dari beberapa bagian utama meliputi reduktor, pemanas, kontrol suhu, pendingin dan alat vakum. Tabung reduktor panjang 200 em dengan diameter 23 em yang berfungsi untuk mereduksi U30g menjadi UOz dengan aliran 420
gas hidrogen (Hz) pad a suhu 600-850 ·c seeara sinambung. Pemanas terdiri dari tiga elemen pemanas nikelin spiral yang dilayani tegangan 380 Volt 25 Amper. Sistem pendingin diperlukan untuk mendinginkan tutup reduktor, agar suhunya tidak melampaui 40 ·c yang dapat mengakibatkan keboeoran pada tabung reduktor. Sistem vakum berguna untuk mengusir oksigen yang ada dalam ruang reduktor sebelum operasi berlangsung, agar tidak bertemu dengan gas hidrogen yang dapat
ISSN 1410 - 8178
Triyono.
PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator Dan Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008 mengakibatkan ledakan. Kontrol suhu berfungsi untuk mengatur suhu pada proses reduksi seeara otomatik pada suhu yang diinginkan 0-850 ·C menggunakan sensor suhu tipe K3. Untuk mengoperasikan unit reduksi seeara aman pada suhu antara 0-850 ·C harus mentaati pada petunjuk dan pelaksanaan yang telah dibuat, agar operasi unit reduksi tidak menimbulkan bahaya bagi alat maupun operatomya (I). Telah diaplikasikan sensor suhu dalam kondisi baru tipe termokopel K3 pada unit reduksi untuk memberikan input tegangan ke kontrol suhu, Sensor suhu berukuran panjang 250 em dan diameter 0,3 em dipasang di dalam ruang reduktor dengan pelindung selongsong stainless steel diameter I em panjang 160 em. Kedua ujung kabel sensor dihubungkan ke kontrol suhu PXR-5 dengan polaritas tidak boleh terbalik. Sensor K3 yang terpasang merupakan pengganti sensor lama termodifikasi yang sudah rusak, sehingga tidak memberikan tegangan output ke kontrol suhu. Sensor termokopel seeara fisik merupakan dua kawat yang disusun dari dua logam yang berlainan dan disambung pad a kedua ujungnya sehingga membentuk junction. Apabila junction sensor terkena panas akan menimbulkan efek tegangan yang sebanding dengan panas yang diterimanya. Efek yang terjadi pada sambungan logam dinamakan efek seebeck yang ditemukan oleh Thomas Seebeck pada tahun 182 I. Apabila pada junction sensor termokopel K3 terkena panas, maka pada kawat akan timbul tegangan seebeck yang merupakan fungsi hubungan antara suhu dan komposisi kedua logam. Untuk perubahan suhu kecil dalam tegangan seebeck seeara linier akan sebanding terhadap suhu, sehingga akan diperoleh hubungan persamaan I.
~eAB = a.~T
(1)
Keterangan : fleAB = merupakan selisih tegangan eAB fl T = perbedaan suhu A = koefisien seebeck Tegangan seebeck pada dua logam A dan B dapat dilihat pada Gambar I. A B
Logam A
_____
Beberapa pertimbangan penggunaan sensor termokopel K3 meliputi : I. Konstruksinya kuat 2. Lebih sederhana 3. Harganya relatif lebih murah 4. Daerah suhu relatif luas 5. Mempunyai keeocokan terhadap kontrol suhu PXR-5 yang telah dipasang Tetapi sensor suhu termokopel juga mempunyai kekurangan antara lain : I. Kurva yang terbentuk tidak rata 2. Tegangannya rendah 3. Kurang stabil dan kurang sensitif Perlindungan sensor suhu termokopel K3 menggunakan pipa baja tahan karat dalam ruang reduktor berfungsi : untuk melindungi sensor terhadap pengaruh kimiawi dalam ruang reduktor, perlindungan panas seeara langsung, melindungi terhadap pengaruh mekanik (2). Dengan dilakukan aplikasi dan uji fungsi sensor termokopel K3 pada unit reduksiakan diperoleh sistem kontrol suhu secara otomatik pada proses reduksi pada suhu 600850 ·C seeara sinambung. Bentuk fisik sensor termokopel K3 pada unit reduksi dapat dilihat pada Gambar 2. 1 +
~
2?1
0.3 em
2'. om
~
Gambar 2. Bentuk fisik sensor termokopel K3 pada unit reduksi. Keterangan : I = Kabel sensor + 2 = Kabel sensor3 = Pelindung sensor 4 = Junction Blok diagram aplikasi dan uji fungsi sensor termokopel pada unit reduksi dapat dilihat pada Gambar 3. 2
3
~::e
PXR-5
Loqam B
Pemutus Tegangan
I
4
Sumber tegangan 380 Volt 3 fase 25 Amper 220 Volt 5 Amper
Gawbar I. Tegangan dan B.
seebeck pada dua logam A
Sensor termokopel K3 terbuat dari paduan NiCr-Ni dan dapat digunakan pada daerah suhu 01250 .c. Beberapa kelebihan sensor suhu termokopel K3 yaitu : cocok untuk suasana oksidasi, cocok untuk suhu 0-1250 ·C dengan pelindung keramik atau pipa stainless steel.
Triyono.
Gambar 3. Blok diagram aplikasi dan uji fungsi sensor termokopel pada unit reduksi. Keterangan : I = Sensor suhu termokopel tipe K3 2 = Reduktor 3 4
= Pemanas 380 Volt 3 fase 25 Amper
= Pelindung panas
ISSN 1410 - 8178
421
PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator Dan Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008
TATAKERJA Peralatan Peralatan yang digunakan dalam pelaksanaan aplikasi dan uji fungsi sensor tennokopel tipe K3 pad a unit reduksi meliputi : pengukur arus (tang ampenneter), multimeter analog/digital, toolsets. temperature controller PXR-5. Bahan Bahan yang diperlukan meliputi : sensor suhu tennokopel tipe K3 panjang 250 em diameter 0,3 em, pelindung sensor stainless steel, epoksi, grease (H). Metodologi 1. Sistem kelistrikan 380/220 Volt pada unit reduksi dimatikan, indikator operasi off. 2. Sensor yang telah rusak dikeluarkan dari ruang reduktor dari tutup samping untuk menempatkan sensor tennokopel baru tipe K3. 850 800 750 600 500 450 400 350 250 300 200 150 100 700 650 550 5 88A setting 3. Menempatkan sensor barn. suhu ke 50 dalam pelindung stainless steel melalui tutup samping sedekat mungkin dengan sumber panas dan letak euplikan yang akan direduksi. Ukuran fisik sensor tennokopel panjang 250 em diameter 0,3 em sudah eukup menjangkau ruangan reduktor. 4. Sensor tennokopel yang telah terinstal diberi epoksi agar rapat terhadap kasis tabung reduktor untuk mencegah kebocoran gas. Kabel sensor tennokopel I (+) dan 2 (-) dihubungkan ke temperature controller PXR-5 untuk keperluan uji fungsi sensor suhu. 5. Masukkan data parameter sensor suhu tipe K3 ke dalam parameter operasi PXR-5 dengan mengubah kode harga P-n2 = 3. Kode 3 menunjukkan bahwa temperature controller PXR-5 bekerja menggunakan sensor suhu tennokopel tipe K3 yang mempunyai daerah pengukuran 0-1250 6. Oalam aplikasi dan uji fungsi sensor suhu tennokopel K3 diperlukan alat ukur suhu pembanding merk constant 88 A dengan sensor tennokopel K3, sehingga diharapkan dapat memberi hasil pengukuran suhu mendekati suhu yang ditampilkan control suhu PXR-5. 7. Pada uji fungsi sensor suhu tennokopel juga dipasang alat ukur tegangan pada sensor termokopel K3 pada suhu 0-850 'c, sehingga akan diperoleh perubahan tegangan pada setiap suhu setting.
(q
'c
Tabell.
Uji fungsi sensor tennokopel K3 pada unit reduksi pada suhu 0-850 'c dengan alat ukur SUhilpembanding constant 88A Hasil suhu (C) PXR 4397 850 800 7807 700 600 603 706 302448 550 500 556 500 0Constant 450 400 350 346 300 294 244 0pengukuran 150 200 197 100 97 0000,584 50 47 Oeviasi 855 750 650 655 56756 250 147 5PXR 88A 0,49 1,15 0,86 0,79 0,84 1,07 0,44 0,75 2,04 1,52 3,09 6,38 0,76 2,45 2,84 pengukuran (C) Constant Prosentase Variasi deviasi (%)
.
HASIL DAN PEMBAHASAN Telah dilakukan evaluasi terhadap aplikasi dan uji fungsi sensor tennokopel baru tipe K3 pad a unit reduksi sebagai input temperature controller 422
pad a proses reduksi 0-850 'c seeara sinambung. Aplikasi sensor tennokopel tipe K3 dimaksudkan untuk menggantikan sensor yang telah rusak dan tak bisa merespon panas serta mengetahui unjuk kerja sensor baru. Uji fungsi sensor tennokopel baru bertujuan untuk memastikan bahwa sensor tennokopel yang telah terpasang dapat berfungsi untuk input sistem pengaturan suhu 0-850 'c seeara sinambung dan otomatik. Oalam uji fungsi sensor tennokopel K3 dihubungkan ke temperature controller PXR-5 yang mempunyai fasilitas setting value (SV) yang cukup luas dengan aplikasi sensor yang dapat diubah kode maupun harga parametemya. Uji fungsi sensor telmokopel K3 pada unit reduksi pada suhu 0-850 'c dengan alat ukur suhu pembanding constant 88A dapat dilihat pada Tabel I.
Oari hasil uji fungsi sensor tennokopel K3 yang ditunjukkan pada Tabel 1 dapat dijelaskan bahwa hasil respon dari sensor tennokopel K3 pada suhu setting 0-850 'c dapat direspon dengan baik oleh temperature controller PXR-5. Pada uji fungsi sensor tennokopel dipasang juga alat ukur suhu pembanding merek constant 88 A yang berfungsi untuk mengetahui seberapa besar selisih pengukuran suhu terhadap alat kontrol suhu PXR-5. Pada pengukuran suhu uji fungsi sensor termokopel menunjukkan bahwa pada suhu setting 50-500 'c menghasilkan deviasi suhu antara 0-6 'c dengan prosen deviasi an tara 0-6,38 %. Oeviasi pengukuran
ISSN 1410 - 8178
Triyono.
PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator Dan Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008 suhu yang dihasilkan dari alat ukur suhu pembanding merk constant 88 A antara 0-6 °c disebabkan oleh pemakaian sensor termokopel K3 dengan panjang 250 em (panjang total termokopel), sedangkan panjang sensor termokopel K3 yang dimiliki oleh constant 88 A adalah 112 em. Oeviasi (OC/menit) 250 200 150 100 750 700 800 850 550 60050 300 450 350 650 500 400 suhu yang terjadi fungsi pada pada suhu uji sensor (C) rendah 50°C eukup besar, karena unit reduksi bekerja dengan arus start yang besar ± 25 Amper. Sedangkan untuk meneapai suhu setting rendah (50°C) hanya memerIukan waktu yang pendek. Hubungan antara suhu setting dengan hasil pengukuran dapat dilihat pada Gambar
oleh sensor termokopel K3 menurun dari 5,63-4,0 I °C/menit. Tabel2.
Uji fungsi sensor termokopel K3 dengan suhu setting 0-850 °c pada unit reduksi Laju panas Waktu uji fungsi, sensor 120 137 23 12 32 sensor 39 205 156 178 106 94 59 46 53 74 dihasilkan 84 66 yang diterima 4,34 4,01 27,8 29,8 5,56 23,5 5,15 9,84 10(menit) 3,84 4,43 1,91 3,17 4,63 5,19 4,91 25,6 33,9 31,9 42867,1 ,8 ,8 5,63 5,40 21,5 19,5 5,47 5,71 5,65 12,8 10,8 15, I yang rerata (mVolt) Variasi suhu Tegangan
4. ri: .. .• go :;".•0 ><
~~" ~~
1000 .wo 800 600 0 200. 200 600 800 400 O'~
·'~l Suhu oetting pada ujllungol, OC
Gambar 4 a. Hubungan antara suhu setting dengan hasil pengukuran pada PXR-5
Ole(
c"00 00
800
~ C
600
1~ c c ~ 8
400 200
0; .... 10001'
:;~ ~ :J:
Q.
50
250
450
650
850
1050
Suhu setting ujl fungsl, OC
Gambar 4 a. Hubungan antara suhu setting dengan hasil pengukuran pada Constant 88 A Pada uji fungsi sensor termokopel K3 dengan suhu pemanasan 550-850 °c menghasilkan deviasi suhu 0-7 °c dengan prosentase deviasi antara 0,49-1,07 %. Proses reduksi U30g dilakukan pada suhu setting antara 600-850 °c, sehingga deviasi yang terjadi 0-7 0c. Uji fungsi sensor termokopel K3 pada unit reduksi pada suhu 0-850 °c akan diperoleh beberapa parameter antara lain: tegangan sensor (mVolt) pada tiap suhu setting, waktu uji fungsi untuk meneapai suhu setting dan laju panas rerata per menit yang diterima oleh sensor termokopel K3. Uji fungsi sensor termokopel K3 dengan suhu setting 0-850 °c pada unit reduksi dapat dilihat pada Tabel 2. Oari hasil uji fungsi sensor termokopel K3 pada Tabel 2 menunjukkan bahwa, untuk meneapai suhu uj i 50-850°C diperlukan waktu uji antara 12205 men it. Besarnya laju panas rerata yang diterima oleh sensor termokopel K3 pada suhu 50-450°C sebesar 1,91-5,71 °C/menit, tetapi setelah suhu meneapai suhu 500-850 °c laju panas yang diterima
Triyono.
Penurunan laju panas yang diterima sensor suhu diakibatkan oleh waktu peneapaian suhu semakin besar. Tegangan sensor termokopel K3 yang dihasilkan pada suhu 50-850°C sebesar 0,833,9 mVolt sebanding dengan panas yang diterima olehjunction sensor. Laju panas sangat berpengaruh terhadap unjuk kerja sensor temokopel karena, laju panas teIjadi akibat waktu uji dan suhu uji(4). Hubungan antara suhu setting terhadap waktu uji sensor termokopel K3 pada unit reduksi memberikan data tegangan sensor dan laju panas dapat dilihat pada Gambar 5a dan 5b. '"
nj~1 . •..
0
200
400
600
800
1000
Variasi suhu uji sensor, OC
Gambar 5.a.
Hubungan antara suhu setting terhadap waktu uji sensor tennokopel K3 pada unit reduksi
Semakin besar panas yang diterima oleh junction sensor tennokopel K3 akan memberikan nilai tegangan semakin besar. Tegangan yang terjadi dinamakan efek seebeck yang besarnya selisih tegangan yaitu eAB = a. T. Semakin besar
ISSN 1410 - 8178
423
PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator Dan Proses Bahan Yogyakarta,
28 Agustus 2008
selisih suhu yang diterima oleh kedua kawat antara A dan B akan memberikan tegangan sensor semakin besar. Pada variasi suhu uji antara 50-850 ·C memberikan tegangan sensor antara 0,8-33,9 mVolt. ..
:;;03 .. 0'"., 0.. C
2
1
::I ••
ai ...J
It)
DAFT AR PUST AKA
I. ADI
~ _ 6 0.. .ta ; 5 ':;j E 4 Q;u ~
segal a bantuan tenaga dan pikirannya dalam melaksanakan aplikasi dan uji fungsi sensor suhu termokopel K3 pada unit reduksi.
0 o
200
400
600
800
1000
Variasi suhu uji sensor, OC
setting Gambar 5. b. Hubungan antara suhu terhadap waktu uji sensor termokopel K3 pada unit reduksi memberikan data laju panas KESIMPULAN Dari hasil aplikasi dan uji fungsi sensor termokopel K3 pada unit reduksi dapat disimpulkan sebagai berikut : I. Uji fungsi sensor termokopel K3 pada unit reduksi pada suhu 50-850 ·C dapat direspon oleh temperature controller PXR-5 secara baik dengan deviasi 0 ·C. Sedangkan hasil pengukuran menggunakan alat ukur suhu merk constant 88 A menghasilkan suhu 47-855 ·C pada suhu setting 50-850 ·C. 2. Laju panas rerata yang diterima oleh sensor suhu termokopel K3 pada suhu uji 50-850 ·C dengan waktu uji 12-205 menit menghasilkan laju panas rerata sebesar 1,91-5,71 ·C/menit. 3. Tegangan sensor merupakan efek seebeck yang ditimbulkan oleh panas yang diterima oleh junction termokopel. Tegangan sensor termokopel K3 pada suhu uji 50-850 ·C sebesar 0,8-33,9 mVolt.
DRAJAT
NUR
WASONO,
Pengoperasikan Peralatan Reduksi U30g menjadi U02, Laporan Kerja Praktek di PPNYBATAN Yogyakarta, 1997. 2. NONAME, Leeds & Northroup Instrument, Printed in USA, Copy Right 1984. 3. TRIYONO DKK, Karakterisasi Pengatur Suhu Oval Furnace Reduksi LPA Menggunakan Temperature Controller PXR-5, Prosiding Seminar Penelitian dan Pengelolaan Perangkat Nuklir PTAPB-BATAN Yogyakarta, 7 September 2007. 4. NONAME, The Temperature Hand Book, An Omega Technologiees Company, Copy Right 1992 Printed in USA.
TANYA JAWAB
Jumari ~ Berapa range suhu sensor termokopel K3? ~ Bagaimana kesesuaian an tara sensor K3 dengan alat control yang digunakan (PXR-5)?
Triyono ~ Range suhu yang diinginkan oleh sensor termokopel K3 antara 0-1250°C, tetapi dalam uji fungsi hanya dilakukan pada suhu 50850°C. ~ Kesesuaian antara sensor termokopel K3 terhadap alat control suhu PXR-5 cukup baik dengan deviasi antara 3-7°C.
UCAPAN TERIMAKASIH Penulis mengucapkan ban yak terimakasih kepada Bpk Tukiman dan Bpk Joko Maryoto atas
424
ISSN 1410 - 8178
Triyono.
